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自顶向下协同装配设计中的耦合结构参数协同计算_张书亭

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自顶向下协同装配设计中的

耦合结构参数协同计算

张书亭1　高曙明1　杨友东1,2　陈　翔1

1.浙江大学CAD&CG国家重点实验室,杭州,310058

2.浙江工业大学之江学院,杭州,310024

摘要:提出了自顶向下协同装配设计中的耦合结构参数的协同计算方法。针对耦合结构参数协同

计算的模糊性和分布性,采用三角模糊数表示设计参数,通过效用函数表示设计者的设计经验和偏好;

通过设计者协商建立以效用为目标的优化模型并利用遗传算法进行优化求解。在满足产品功能需求的

前提下,该方法可满足分布在异地的设计者的设计经验和偏好。机械手协同装配设计的耦合结构参数

协同计算实例验证了该方法的有效性。

关键词:自顶向下;协同装配设计;耦合结构参数;效用函数;三角模糊数;遗传算法

中图分类号:TP391.7 文章编号:1004—132X(2009)12—1484—05

CollaborativeCalculationofCoupledStructuralParametersforCollaborativeTop-downAssemblyDesign

ZhangShuting1　GaoShuming1　YangYoudong1,2　ChenXiang1

1.StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310058

2.ZhijiangCollege,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou,310024

Abstract:Anapproachwaspresentedforthecollaborativecalculationofcoupledstructuralparam-

etersduringcollaborativetop-downassemblydesign.Tomeettherequirementsofthecollaborative

calculationofcoupledstructuralparameterswhichwereimpreciseanddistributed,triangularfuzzy

numberswereadoptedtorepresenttheimpreciseparametersandutilityfunctionswereutilizedtoex-

pressthedesigners'preferenceswhichreflectedtheirknowledgeandexperiences.Thedesignerscol-

laborativelyestablishedtheoptimizationmodelwhichtookutilityastheobjective.Geneticalgorithm

wasusedtosolvetheoptimizationmodel.Theapproachwasverifiedthroughanexampleofcollabora-

tivecalculationofcoupledstructuralparametersduringthecollaborativetop-downdesignofamanip-

ulator.

Keywords:top-down;collaborativeassemblydesign;coupledstructuralparameter;utilityfunc-

tion;triangularfuzzynumber;geneticalgorithm

收稿日期:2008—07—18

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60574061,60736019);

国家863高技术研究发展计划资助项目(2007AA04Z149)0　引言

复杂机械产品的设计,特别是创新设计是多

个设计者参与的、自顶向下的设计过程[1],由于这

个设计过程很复杂,因此目前的研究集中在概念

设计结束后,设计者协同进行装配设计的阶段[2]。

耦合结构参数的协同是上述自顶向下协同装配设

计的关键问题之一,即在早期设计阶段,分布在异

地的设计者基于产品功能需求相互协商、协同计

算彼此相关的关键结构参数。耦合结构参数协同

计算具有分布性和模糊性,其相关研究工作主要

集中在面向单个设计者的参数计算方面,包括基

于约束网络的方法[3-5]、基于模糊理论的方法[6-8]、

基于效用理论的方法[9-10]等,这些方法没有考虑协同设计环境下多人计算的特点,且基于效用理

论的方法对约束方程的建立具有特殊要求[9],也

难以同时处理离散和连续参数的计算。本文基于

模糊理论处理耦合结构参数协同计算的模糊性,

采用效用理论处理设计者的设计知识和偏好,设

计者协商建立以效用为目标的优化模型并用遗传

算法进行优化求解。

1耦合结构参数协同计算的相关概念

(1)效用函数向量。用三角模糊数表示模糊

设计参数,假设这类参数个数为nf,其他参数个数

为np,采用效用函数描述模糊参数取值的优先程

度,所有模糊设计参数的效用函数表示为效用函

数向量:

U=(u1(x),u2(x),…,ui(x),…,unf(x))T(1)

(2)责任向量。责任向量表示每个效用函数

所对应的设计者,表示为·1484·中国机械工程第20卷第12期2009年6月下半月P=(p1(x),p2(x),…,pi(x),…,pnf(x))(2)

其中,pi(x)(i=1,2,…,nf)表示第i个模糊设计

参数的效用函数对应的设计者集合,这些设计者

共同协商确定对应设计参数x的效用函数。

(3)设计者权重向量。设计者权重表示各个

设计者在设计过程中的权威性,表示为

A=(a1,a2,…,ai,…,aq)(3)

其中,ai表示第i个设计者的决策权重。

(4)效用权重向量。效用权重表示各个参数

对应效用的重要程度,表示为

W=(w1,w2,…,wi,…,wnf)(4)

其中,wi表示第i个模糊设计参数效用的重要程度。

2基于模糊理论和效用理论的耦合结构

参数协同计算

用三角模糊数表示模糊设计参数,用效用函

数表示设计者的设计经验和偏好;设计者协同定

义相关耦合结构参数,协商确定相关模糊设计参

数的效用并基于物理原理建立相关工程约束;然

后以效用最大化为目标,建立耦合结构参数协同

计算的优化模型,并利用遗传算法进行求解。上述

耦合结构参数协同计算流程如图1表示,其关键

是耦合结构参数协同计算优化模型的建立和

求解。

图1耦合结构参数协同计算流程图

2.1耦合结构参数协同计算的优化模型

耦合结构参数协同计算的优化模型以效用最大化为目标,以模糊结构参数的区间范围以及工

程约束为约束条件,其建立过程包括三个步骤。

2.1.1　确定单个设计参数的效用

单个参数的效用函数可以由设计者基于其经

验知识确定,或通过工程数据进行拟合得到[9]。由

式(1)和式(2)知,单个结构参数的效用及其对应

的设计者集合分别为ui(x)、pi(x)(i=1,2,…,

nf),pi(x)对应集合的成员为pi1,pi2,…,pik,假

设每个成员的权重为apij(即式(3)中的权重分

量),设计者相对于模糊设计参数效用的权重为

βi=∑k

j=1apij(5)

将式(5)归一化,得

λi=βi/βtot βtot=∑nf

i=1βi(6)

考虑到每个模糊设计参数效用权重为wi,结

合三角模糊数的隶属度μi(x),每个模糊设计参

数对应的效用最终表示为

Ugi=wiλiui(x)μi(x)(7)

2.1.2　建立总体效用优化目标

设计参数效用优化目标表示为

maxx∈X{U(x)}

U(x)=(Ug1(x),Ug2(x),…,Ugnf(x)

)T(8)

式中,X为设计参数向量。

对于式(8),各个设计者的效用值在求解过程

中可能存在冲突,因而要使不同设计者的设计效

用同时达到最优值,一般比较困难。转化为单一目

标是解决上述多目标优化的常用方法,通常采用

的转化方法包括加权线性组合、平方和加权法和

功效系数法,由于各个模糊参数的效用在计算过

程中已考虑权重信息,因此前两种组合方式采用

相等的权重,从而转化为线性求和方式。最终的目

标函数如下(具体采用哪种方式,由设计者在协同

计算过程中协商选择):

线性组合法

Ug=∑nf

i=1Ugi(9)

式中,Ug为总体效用目标。

平方和法

Ug=-∑nf

i=1ΔUgi=-∑nf

i=1(1-Ugi)2(10)

功效系数法

Ug=∏nf

i=1Ugi(11)

2.1.3　建立耦合结构参数协同计算优化模型

三角模糊数表示为A～=(l,m,t),其中,l、m、

t分别为A～的上界、中值、下界。将A～的上下界转化·1485·自顶向下协同装配设计中的耦合结构参数协同计算———张书亭　高曙明　杨友东等为约束,去掉模糊性,有

li≤xi≤ti i=1,2,…,nf(12)

工程约束包括等式和不等式约束,表示为

gi(x)≤0 i=1,2,…,o

hj(x)=0j=1,2,…,p(13)

式中,o、p分别为不等式和等式的个数。

耦合结构参数协同计算归结为:在满足约束式

(12)、式(13)的前提下,满足总体效用最大化,即

X=(x1,x2,…,xn)∈Rn

min Umin=-Ug

s.t.gi(x)≤0 i=1,2,…,o

hj(x)=0 j=1,2,…,p

lk≤xk≤tk k=1,2,…,nf(14)

2.2基于遗传算法的优化求解

遗传算法(GA)能以较大概率在有限时间内

求得整体最优解,是求解式(14)的有效手段[11-12]。

本文提出基于改进的自适应罚函数的遗传算法求

解式(14),其基本思想是,通过自适应罚函数将上

述问题转化为仅有区域约束的优化问题,且同时处

理连续和离散变量参数,主要步骤如下。

(1)如果nf=0,即没有模糊设计参数,则式

(14)退化为一般的方程组求解,此方程组包括不

等式和等式方程,采用数值方法求解后算法结束。

如果nf≠0,此时求解分成两步:首先,令每个模

糊设计参数都取中值,即对于xi=(l,m,t),令

xi=m;然后进行方程组求解,如果有解,输出所

有参数结果,算法结束,否则表示模糊设计参数的

效用结果可能存在冲突,跳转到(2)。

(2)假设满足约束条件的解的集合为F＊,则

约束条件用罚函数并入到目标函数:

F(x)=Uminx∈F＊

Umin+penaltyf(x)x F＊(15)

一般的自适应罚函数只考虑遗传算法过程中

进化代数的反馈[13],这里采用的罚函数不仅考虑

遗传算法计算过程中进化代数的反馈,同时考虑

个体约束偏离的分布情况:

penaltyf(x)=t0.5∑o+p

k=1(Sk(x))2e[τ/(o+p)](16)

Sk(x)=max(0,gk(x)) k=1,2,…,o

|hk-o(x)| k=o+1,o+2,…,o+p

(17)

式中,t为进化代数;τ为对应个体的约束不满足的个数。

通过罚函数penaltyf(x),式(14)转化为仅

有区域约束的优化问题F(x)。

(3)利用遗传算法,求解以F(x)为目标的优

化问题。处理连续和离散变量的方法如下(对设计

参数采用12位长二进制编码):①如果设计参数v为连续的,假设其区间为[B,U],则从编码空间

到设计参数空间的映射为

dbv=B+(U-B)α/212(18)

式中,α为进化计算过程中的基因二进制编码;dbv为对应

的参数数值。

②如果设计参数v为离散的,假设其离散数据集

合为VS={v1,v2,…,vr},其中的元素从小到大

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基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

张田会;张发平;阎艳;钱翰博

【摘 要】为提高夹具设计过程中的设计知识重用率和设计效率,提出一种基于本体和知识组件的夹具结构智能设计方法.该方法通过构建夹具元件、工件以及夹具设计实例的本体模型,实现了对夹具设计知识的表示.通过引入知识组件技术并建立本体间的语义映射关系,构建针对夹具选择、尺寸驱动和建模装配的三种知识组件及知识处理框架,形成夹具结构智能设计模式,完成了对夹具结构设计知识的组织、推送和嵌入.结合基于规则和实例的推理方法,实现了对夹具的智能选择,通过开发相应的夹具结构设计系统,实现了基于本体参数化属性的夹具尺寸自驱动和基于本体装配特征的夹具元件快速组装.以某飞机零件为例,对所提方法的可行性和有效性进行了验证.

【期刊名称】《计算机集成制造系统》

【年(卷),期】2016(022)005

【总页数】14页(P1165-1178)

【关键词】夹具结构设计;知识表示与推理;本体;知识组件

【作 者】张田会;张发平;阎艳;钱翰博

【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;国家国防科技工业局协作配套中心科技处,北京 100081

【正文语种】中 文 【中图分类】TH164

夹具作为机械加工过程中用来固定、支撑和夹紧工件，使工件相对于机床处于正确位置的机构，对产品的生产质量、效率和成本有重要影响。据统计，大约40%的不合格零件都是由不良的夹具设计造成的尺寸错误[1]，夹具设计与制造周期大约占产品整个研制周期的1/3，而且与夹具设计和制造相关的成本占制造系统总成本的10%～20%[2]。

由于加工零件的复杂性，夹具设计过程考虑的因素具有多样性和不确定性，导致夹具设计工作十分繁琐和费时，而且很大程度上依赖于设计师的经验和知识。过去几十年来，为了解决上述问题，有关计算机辅助夹具设计技术的研究迅速发展，但是目前还没有实现对设计知识的充分利用。面对当前智能制造的发展趋势，为了提高夹具设计的效率和质量，需要一种智能化的设计方法来实现对夹具设计知识的继承、共享和重用。

超大薄壁结构柔性装配偏差建模及变形协调计算

超大薄壁结构柔性装配偏差建模及变形协调计算

超大薄壁结构柔性装配偏差建模及变形协调计算

超大薄壁结构构成大型飞机、新一代运载火箭和太空站等产品骨架,是产品的主要承力结构,其装配偏差直接影响装备的整体性能。超大薄壁构件变形呈现几何非线性特征,现有薄壁结构装配偏差模型计算精度低,无法准确描述薄壁的旋转变形,导致结构装配偏差难以精确预测。超大薄壁结构的封闭性造成装配过程中偏差传递呈强耦合性,导致结构装配偏差传递规律难以分析,结构装配偏差预测及补偿困难,现场超大薄壁结构装配偏差控制依赖反复“试错”调试,极大影响了结构装配质量和效率。

针对超大薄壁结构装配偏差精确描述及变形协调计算问题,本文基于绝对节点坐标法建立新型高阶梁/板单元模型及含筋板单元模型,用以精确描述薄壁结构的旋转变形。首次将绝对节点坐标法应用于薄板结构装配偏差分析中,建立薄壁结构装配变形协调力学计算模型。根据薄壁结构几何特征定义结构典型偏差模式,建立装配偏差传递函数和装配偏差质量指标体系,实现不同参数条件下超大薄壁结构装配偏差传递的定量分析,研究超大薄壁封闭结构装配变形协调及偏差累积规律。

结合工程实际设计薄壁结构立式装配实验台,开展薄壁结构的装配及偏差测量实验,验证本文提出方法的有效性。本文的主要研究内容包括以下几个部分:1)基于绝对节点坐标法的新型含筋板单元设计修改现有板单元模型的形函数,建立了非规则曲面单元模型,解决了现有矩形单元对复杂曲面离散时产生的畸变问题。针对现有单元模型在数值计算中存在的泊松锁闭和剪切锁闭问题,构造了以高阶代数多项式表示的单元位移函数,引入可描述单元截面变形模式和提高其截面插值阶数的高阶斜率坐标,建立了新型高阶梁/板单元模型,并通过仿真案例验证单元的有效性。

考虑含筋板单元模型中加强筋的布置形式及几何约束条件,建立了梁单元和板单元接触界面的变形协调方程,推导了梁/板单元间的节点坐标变换矩阵,提出了构建具有不同几何连续性和性能的新型含筋板单元模型的通用方法。通过仿真案例验证了含筋单元模型的正确性,并分析了加强筋的尺寸,数目及布置位置对结构性能的影响。2)考虑过约束装夹的超大薄壁结构变形协调计算方法针对超大薄壁铝合金结构的材料各向异性和几何非线性特征,推导了初始弯曲单元的刚度矩阵解析表达式。

自顶向下的协同装配设计过程研究

自顶向下的协同装配设计过程研究

现代制造技术与装备　２０１０第２期总第１９５期　

自顶向下的协同装配设计过程研究　

顾凌云　

（无锡机电高等职业技术学校，无锡２１４０００）　

摘　要：本文阐述了自顶向下协同装配设计的含义，简述了以“齿轮减速器”为例的，自顶向下协同装配的　设计过程，并将其与传统设计进行了比较研究，采集了研究的数据，总结了研究的结果，提出了研究需要深入的　

方向。　关键词：自顶向下　协同装配设计　齿轮减速器　

１自顶向下协同装配设计的概念　自顶向下协同装配设计是指当概念设计完成后，设计　

者根据概念设计结果，协同地、由抽象到具体地完成产品　装配模型，是在传统的自顶向下设计基础上，探索将自顶　

向下并行装配设计方法与先进的分布计算、网络通讯技　

术融合起来，使设计人员能够在产品概念设计完成后在　分布设计环境中能够适时、协同地进行并行装配设计的　

途径。　

２“齿轮减速器”自顶向下协同装配设计过程简析　自顶向下的协同装配设计过程是一个管理要求高、综　

合性的复杂过程。我们选取了一级直齿齿轮减速器为研　究的载体，初步探寻这种设计过程的规律和特征，为深入　

地研究奠定实验基础。　这里，我们把自顶向下的协同装配设计分为布局设　

计、骨架设计、详细设计三个阶段。　

２．１布局设计阶段　布局设计首先是进行抽象结构布局，使指在产品设计　初期，用简单的２Ｄ线条来描述零组件的位置和装配关　

系，以明确设计意图，如Ｐｒｏ／Ｅ中提供了一个叫“布局”的　

模块，专门用来实现这个功能。减速器的结构布局设计，　

是指在减速器箱体空间内如何合理地布置输入轴、输出　轴和传动轴、齿轮、轴承等元件空间位置，布局图中集中　

体现了各子装配及零部件的装配关系，如图１所示。　

一　一　～　＼　一　，　＼　一　ｔ　一　、、①ｌ　

一　Ｉ　一　一　＾】　

一　Ｉ　

＼　／　一　、Ｌ　一　／　‘　一　＼　

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①输入轴组件；②输出轴组件；③箱体组件　图１减速器结构布局设计　布局设计的第二个阶段是进行设计参数定义，在布局　中可以定义关键的设计参数，并为这些参数建立关系，再　

装配体的参数化设计研究

装配体的参数化设计研究

收稿日期：2007-01-10 基金项目：西南科技大学科研基金资助项目（2006005020） 作者简介：张浬萍（1977-），女，四川乐山人，讲师，主要研究方向为机械设计理论、CAD/CAM等。 为提高机械产品设计的规范化程度及其通用性，设计领域越来越多的采用标准件或标准模块，或利用零部件几何拓扑关系的相似性，改善系列产品的大量重新设计问题，以提高设计效率，缩短研发周期。CAD技术支持下的参数化设计为之提供了有力的方法和工具。 目前，国内外的参数化设计主要集中在零件的参数化模型上，对整机产品的参数化设计研究尚涉猎较少。参数化零件能很好的描述零件的几何信息，但缺乏对装配关系等非几何要素信息的表达，存在零件参数与几何模型的分离、装配关系只能用低级的几何元素关联表达的缺点，对具2008年 工 程 图 学 学 报 2008第1期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.1

装配体的参数化设计研究

张浬萍， 杨 军 （西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010） 摘 要：通过参数化零件的数据关联分析，并将机械产品的装配模型抽象成两个两件的逐层级联关系，从而对零件模型数据进行装配适应性重构，建立起装配节点上的数据继承、传递和零件驱动关系，实现设计参数和几何模型参数的匹配和连接，从而达到整机产品的参数化设计目的，并以减速箱产品为实例，采用Pro/E系统实现了该装配体的参数化设计。 关 键 词：计算机应用；装配建模；参数化设计；数据关联分析 中图分类号：TP 391 文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2008)01-0025-07 Research on Parametric Design for Assembly ZHANG Li-ping, YANG Jun ( Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China ) Abstract: According to analysis of data relation for parametric parts, assembly model of mechanical product can be abstracted into progressive cascade relationship between parts and part parameters are reconstructed to meet the requirement of assembly. Then data transmission and part drive relations on assembly joint are built. At last parameter matching and connection between design model and geometry model are realized and parametric design of whole mechanical product can be reached. As an example, the parametric design of a reducer is implemented by using Pro/E software. Key words: computer application; assembly modeling; parametric design; data relation analysis 有装配要求的参数化设计则难以实现。装配体的参数化设计应当建立于零件的参数化设计之上，根据机械产品的装配关系对设计参数和几何模型加以规划和管理，保证设计过程中数据关联和传递的完整性和确定性，因此，数据交互频繁、数据关系复杂是该过程中的突出特点，也是实现装配体参数化设计必须研究解决的重点问题。为此，该文研究了参数化零件的数据关联、零件参数的装配适应性重构、总装配体的层次模型和数据传递等问题，并在此基础上以减速器产品设计为实例实现装配体的参数化设计。 1 参数化零件的数据关联分析 零件是装配体最基本最直接的对象单元，能否胜任装配体参数化的要求是至关重要的环节。当前，大多商用CAD系统提供了截面图形绘制的数学描述工具，也提供了二次开发工具，这些为进行参数化零件设计提供了研究平台。就一个特定零件而言，实现其参数化设计一般要经历对象分析、几何建模和参数化实现三个阶段。 图1表达了零件的参数化实现过程以及主要数据在该过程中的流动方向。所建立的零件参数化模型中包含了大量的结构计算数据、几何特征的参照及定位关系数据、拓扑结构约束关系数据等。并且各种数据间有着密切的关联和影响，每一处的约束或参数取值范围的出错都有可能导致参数化模型的失败。